성균관대학교(총장 유지범) 기계공학부 이원영 교수 연구팀은 삼성전기 중앙연구소와의 공동연구를 통해 그린수소 생산 장치인 고체산화물 수전해전지(SOEC)의 성능과 내구성을 동시에 높일 수 있는 제조 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

고체산화물 수전해전지는 700℃ 이상의 고온에서 수증기를 전기로 분해해 수소를 생산하는 장치로, 기존 방식보다 적은 에너지로 많은 수소를 생산할 수 있어 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 그러나 고온에서 장시간 작동하면 전지 내부 미세 입자가 뭉치거나 전극과 전해질 사이 층이 분리되는 현상이 발생해 성능이 급격히 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 실제 산업 현장에 적용 가능한 두 가지 제조 친화형 나노 설계 전략을 제시했다.

첫 번째는 연료극 촉매 입자 표면에 분말 기반 원자층증착법(ALD)을 활용해 수 나노미터 두께의 막을 형성하는 기술이다. 이를 통해 니켈 입자가 고온에서도 서로 뭉치지 않도록 안정화하고 수소 환경에서 합금 촉매로 전환되도록 유도해 수소 생산 효율을 기존 대비 약 2배 높였다.

두 번째는 공기극과 전해질 경계면에 약 50나노미터 두께의 나노 코팅층을 형성하는 기술이다. 연구팀은 전기정전 분무증착법(ESD)을 적용해 전지 내부 층간 박리 현상을 효과적으로 억제했다. 이 공정은 대기압 환경에서도 가능해 산업 현장 적용성이 높다는 장점이 있다.

연구팀은 이러한 기술을 실제 대면적 셀에 적용해 성능과 내구성을 확인했다. 이는 차세대 수소 생산 장치 상용화를 가로막던 수명 문제와 제조 공정 난제를 동시에 해결할 수 있는 기술적 기반을 제시한 것으로 평가된다.

이원영 교수는 “전극 구조 변화와 계면 박리 문제를 나노 설계 기술과 산학 협력으로 해결했다”며 “수소 에너지 시대를 앞당길 수 있는 실용적 제조 플랫폼을 제시한 연구”라고 말했다.

박중덕 삼성전기 마스터는 “고체산화물 수전해전지 성능과 내구성을 동시에 높일 수 있는 제조 기술 가능성을 확인했다”며 “관련 기술의 산업 적용을 위해 협력을 이어가겠다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials’와 ‘ACS Nano’에 게재됐다. 특히 ‘Advanced Functional Materials’ 논문은 해당 호 표지 논문으로 선정됐다.